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研究生:李泳泰
研究生(外文):Yung-Tai Lee
論文名稱:比較有鉛銲錫與無鉛銲錫在表面黏著技術之應用
論文名稱(外文):Comparison of Lead Solder and Lead-Free Solder on the Application of Surface Mounting Technology
指導教授:黃悉雅
指導教授(外文):Hsi-Ya Huang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學研究所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:表面黏著技術無鉛銲錫有鉛銲錫
外文關鍵詞:Lead-FreeSurface mounting TechnologyLead
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由於傳統銲錫63Sn-37Pb合金含有63wt%Sn-37wt%Pb,也由於鉛的成分會造成環境的污染與危害,所以,無鉛銲錫的研究與發展,正是目前各國努力的目標,而本研究在探討Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu四種無鉛銲錫與63wt%Sn-37wt%Pb有鉛銲錫在表面黏著技術之應用,並分別比較無鉛與有鉛銲錫之可銲性、潤濕性、擴散性、熱疲勞、冷熱衝擊性的不同,並透過掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察銲錫表面的形態差異。
從實驗結果顯示,使用錫球陣列矩陣BGA(Ball Grid Array)重新植球的方式,在可銲性的部分:63wt%Sn-37wt%Pb有鉛銲錫的錫球聚合效果完整,而部分Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu無鉛銲錫的錫球會產生游離,甚至錫球與錫球間會產生聚集成一團的短路現象。在潤濕性部分:透過潤濕天平(Wetting Balance)之曲線可看出,63wt%Sn-37wt%Pb有鉛銲錫的平均潤濕時間在1.26sec效果最好,其餘Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu無鉛銲錫的平均潤濕時間界在3 ~ 5sec左右。在擴散性部分:63wt%Sn-37wt%Pb有鉛銲錫的平均擴散率在90.03%效果最好,其餘Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu無鉛銲錫的平均擴散率在76 ~ 80%。在冷熱衝擊性部分:由SEM觀察出,有鉛與無鉛錫球表面,經過不同冷熱條件下,並無明顯變化產生。在熱疲勞性部分:透過SEM的觀察,在不斷重複經過迴銲爐的IC引腳上的銲點變化,63wt%Sn-37wt%Pb有鉛銲錫在第1次迴銲後相較於10、20、30次的金屬表面屬於較完整,但分別在過10、20、30次後,銲點表面的金屬一一產生崩裂,另外,Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu無鉛銲錫部分,在不斷經過迴銲爐分別10、20、30次後,銲點表面的金屬,卻仍有部分表面結晶保持相當完整的情況。
The traditional solders of 63wt%Sn-37wt%Pb which contains a high level of Pb, were widely applied on Surface Mounting Technology due to many excellent characteristics. However, many reports has been demonstrated that many electronic products contained Lead solders may causes an environmental pollution problems, thus the Lead-Free solders were rapidly developed in recent years.
In order to compare the properties between commercial Lead-Free solders and traditional solders on the application of Surface Mounting Technology, several factors including solderability, wettability, spreadability, cold, hot shockability and thermal fatigue properties were examined.
In the study, the experiments and measurement were completed based on a Ball Grid Array (BGA) planted solder balls processes. The results of solderability indicated that the 63wt%Sn-37wt%Pb solder balls were still perfect, but the Lead-Free solder balls (Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu) were drifted, and even had short phenomenons after the solderability test. The wettability and spreadability tests shown that the 63wt%Sn-37wt%Pb solder had a shorter average wetting time and a wider average spreading ratio than other Lead-Free solders 3~5Sec, thus the traditional solder has a better wettability and spreadability. SEM observation indicated that both 63wt%Sn-37wt%Pb solder and Lead-Free solders had no a morphological change after a cold, hot shockability tests. Integrated Circuit (IC) pins solder joints still were completed for Lead-Free solders after 10~30 times thermal fatigue test, however the IC pins solder joints were almost broken only 10 times thermal fatigue test for the traditional solder, 63wt%Sn-37wt%Pb.
目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
名詞說明 XV

一、緒論
1-1 簡介 1
1-2 銲錫的發展 2
1-3 鉛的危害 4

二、表面黏著技術的應用
2-1 簡介 7
2-2 錫膏 12
2-2-1 錫膏的保存與使用 12
2-2-2 助銲劑 12
2-3 表面黏著元件 14
2-4 表面黏著設備 14

三、無鉛銲錫簡介
3-1 無鉛銲錫的發展 16
3-1-1 熔點 16
3-1-2 機械強度 16
3-1-3 抗腐蝕性與抗氧化性 17
3-1-4 濕潤性 17
3-1-5 加工性與價格低廉 17
3-2 目前取代鉛的各種金屬特性 17
3-2-1 銀 (Ag) 18
3-2-2 銅 (Cu) 18
3-2-3 鉍 (Bi) 18
3-2-4 銦 (In) 18
3-2-5 銻 (Sb) 19
3-2-6 鋅 (Zn) 19
3-2-7 鎳 (Ni) 19
3-2-8 鍺 (Ge) 19
3-3 Sn-Ag 系二元合金 19
3-4 Sn-Cu 系二元合金 20
3-5 Sn-Ag-Cu 系三元合金 20
3-6 Sn-Bi 系二元合金 21
3-7 Sn-In 系二元合金 21
3-8 Sn-Zn 系二元合金 22
3-9 Sn-Au 系二元合金 23
3-10 全球使用概況 23
3-11 研究動機 25

四、實驗部分
4-1 儀器 27
4-2 實驗錫膏 29
4-3 可銲性分析 30
4-4 潤濕性分析 34
4-5 擴散性分析 35
4-6 冷熱衝擊性分析 36
4-7 熱疲勞性分析 37

五、結果與討論
5-1 可銲性分析 38
5-2 潤濕結果 46
5-3 擴散性質 54
5-4 冷熱衝擊影響 60
5-5 熱疲勞影響 66
六、結論 72
七、未來展望 74

參考文獻 75
















圖目錄
圖一 Sn-Pb 系二元合金相圖 3
圖二 鉛對環境的危害 6
圖三 傳統電子元件示意圖 9
圖四 傳統電子元件銲接圖 9
圖五 表面黏著電子元件示意圖 10
圖六 表面黏著電子元件銲接圖 10
圖七 表面黏著技術原理圖 11
圖八 BGA固定方式圖 30
圖九 BGA印刷前 31
圖十 BGA印刷後 31
圖十一 63Sn-37Pb爐溫圖 33
圖十二 Sn-3.0Ag-0.5Cu爐溫圖 33
圖十三 潤濕天平的裝置 34
圖十四 潤濕天平的構造圖 34
圖十五 恆溫恆濕儀 36
圖十六 熱風迴銲爐 37
圖十七 熱風迴銲爐構造原理 37
圖十八 樣品A錫膏測厚圖 39
圖十九 樣品B錫膏測厚圖 39
圖二十 樣品C錫膏測厚圖 40
圖二一 樣品D錫膏測厚圖 40
圖二二 樣品E錫膏測厚圖 41
圖二三 樣品A錫球經過迴銲爐後的變化 42
圖二四 樣品B錫球經過迴銲爐後的變化 42
圖二五 樣品C錫球經過迴銲爐後的變化 43
圖二六 樣品D錫球經過迴銲爐後的變化 43
圖二七 樣品E錫球經過迴銲爐後的變化 44
圖二八 潤濕曲線圖 46
圖二九 樣品A量測的潤濕曲線 47
圖三十 樣品B量測的潤濕曲線 48
圖三一 樣品C量測的潤濕曲線 49
圖三二 樣品D量測的潤濕曲線 50
圖三三 樣品E量測的潤濕曲線 51
圖三四 樣品A銲錫在銅板上擴散後的情形 56
圖三五 樣品B銲錫在銅板上擴散後的情形 56
圖三六 樣品C銲錫在銅板上擴散後的情形 57
圖三七 樣品D銲錫在銅板上擴散後的情形 57
圖三八 樣品E銲錫在銅板上擴散後的情形 58
圖三九 第一組樣品A錫球表面經冷熱衝擊後的變化 61
圖四十 第一組樣品B錫球表面經冷熱衝擊後的變化 61
圖四一 第一組樣品C錫球表面經冷熱衝擊後的變化 61
圖四二 第一組樣品D錫球表面經冷熱衝擊後的變化 62
圖四三 第一組樣品E錫球表面經冷熱衝擊後的變化 62
圖四四 第二組樣品A錫球表面經冷熱衝擊後的變化 63
圖四五 第二組樣品B錫球表面經冷熱衝擊後的變化 63
圖四六 第二組樣品C錫球表面經冷熱衝擊後的變化 63
圖四七 第二組樣品D錫球表面經冷熱衝擊後的變化 64
圖四八 第二組樣品E錫球表面經冷熱衝擊後的變化 64
圖四九 樣品A熱疲勞變化情形 67
圖五十 樣品B熱疲勞變化情形 67
圖五一 樣品C熱疲勞變化情形 68
圖五二 樣品D熱疲勞變化情形 68
圖五三 樣品E熱疲勞變化情形 69



表目錄
表一 目前常用的助銲劑及其特性與應用範圍 13
表二 目前所開發出來的無鉛銲錫合金種類 24
表三 錫膏印刷厚度的統計結果 38
表四 潤濕時間的統計結果 52
表五 擴散性的統計結果 59
表六 各個特性的比較結果 73
























附錄
附錄一 WEEE規範 81
附錄二 JIS-Z-3284規範 82
附錄三 JIS-Z-3197規範 83





























名詞說明

63Sn-37Pb:錫鉛銲錫合金之金屬濃度重量百分比為Sn63%-Pb37%

Sn-3.0Ag-0.5Cu:錫銀銅銲錫合金之金屬濃度重量百分比為
Sn96.5%-Ag3%-Cu0.5%

BGA(Ball Grid Array):錫球陣列矩陣的電子元件

潛變(Creep):應力隨時間的長短或負載大小,所導致應變產生的疲
勞變化。

迴銲:應用於表面黏著技術,並採用平行流動進入爐子的銲接方式。

波銲:應用於傳統人工插件,採用波面接觸流動進入爐子的銲接方式。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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